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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-09
(45)【発行日】2024-01-17
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/18 20060101AFI20240110BHJP
【ＦＩ】
G01N27/18
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019217999
(22)【出願日】2019-12-02
(65)【公開番号】P2021089155
(43)【公開日】2021-06-10
【審査請求日】2022-09-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】海田 佳生
(72)【発明者】
【氏名】松尾 裕
(72)【発明者】
【氏名】田邊 圭
【審査官】吉田 将志
(56)【参考文献】
【文献】特開平１０－２６７８９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１４４５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０４－１１５０５８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】国際公開第２０１８／１３５１００（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３５３６０７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０６０８４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７０１６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－２７８７４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８９０４８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／００ － Ｇ０１Ｎ ２７／１０
Ｇ０１Ｎ ２７／１４ － Ｇ０１Ｎ ２７／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の測温体と、前記第１の測温体を加熱する第１のヒータ抵抗を含む第１のガスセンサ部と、環境温度を測定するための温度センサ部であって、前記環境温度に応じて抵抗値が変化する第２の測温体を含む温度センサ部と、
第３の測温体と、前記第３の測温体を加熱する第２のヒータ抵抗を含む第２のガスセンサ部と、
前記第１のヒータ抵抗に第１の制御電圧を印加する第１の電圧印加部と、
前記第２のヒータ抵抗に第２の制御電圧を印加する第２の電圧印加部と、を備え、
前記第１の測温体と前記第３の測温体は直列に接続され、
前記第１の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて前記第１の制御電圧を変化させる第１のバッファ回路を含み、
前記第２の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて前記第２の制御電圧を変化させる第２のバッファ回路を含み、
前記第１の制御電圧と前記第２の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより前記第１の測温体と前記第３の測温体が互いに異なる温度に加熱されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項2】
前記温度センサ部は、前記第２の測温体に対して直列に接続された第１の抵抗を含み、前記温度センサ部の出力電圧は、前記第２の測温体と前記第１の抵抗の接続点の電圧であり、
前記第１の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて第１の調整電圧を生成する第１の分圧回路と、第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧源とをさらに含み、
前記第１のバッファ回路は、前記第１の基準電圧に対して前記第１の調整電圧を加算又は減算することによって前記第１の制御電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記第１のバッファ回路と前記温度センサ部の間に接続された第１のスイッチ回路と、前記第１のバッファ回路と前記第１の基準電圧源の間に接続された第２のスイッチ回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記第２の電圧印加部は、前記温度センサ部の出力電圧に基づいて第２の調整電圧を生成する第２の分圧回路と、第２の基準電圧を生成する第２の基準電圧源とをさらに含み、前記第２のバッファ回路は、前記第２の基準電圧に対して前記第２の調整電圧を加算又は減算することによって前記第２の制御電圧を生成することを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記第１の分圧回路と前記第２の分圧回路の分圧比が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項6】
前記第２のバッファ回路と前記第２の基準電圧源の間に接続された第３のスイッチ回路をさらに備え、前記第１のスイッチ回路は、前記第１及び第２のバッファ回路と前記温度センサ部の間に接続されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のガスセンサ。
【請求項7】
前記第１のバッファ回路と前記第１のヒータ抵抗の間に接続され、前記第１の制御電圧を保持するサンプルホールド回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項8】
前記温度センサ部は、前記第２の測温体に対して並列に接続された第２の抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、サーミスタなどの測温体を加熱するヒータ抵抗を備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであり、中でも、ヒータ抵抗によってサーミスタなどの測温体を加熱するタイプのガスセンサは小型化に優れている。例えば、特許文献１に記載されたガスセンサは、ヒータ抵抗によって加熱されるサーミスタと基準抵抗を直列に接続し、その接続点の電位に基づいて測定対象ガスの濃度を検出している。
【0003】
特許文献１に記載されたガスセンサは、環境温度測定素子をさらに備えている。そして、環境温度測定素子によって得られた環境温度に応じて、ヒータ抵抗に流す電流量を微調整することにより、環境温度によらずサーミスタを一定の温度で加熱している。特許文献１に記載されたガスセンサにおいては、環境温度測定素子から出力される電圧値をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値に基づいてヒータ抵抗に流す電流量を示す指示値を算出し、さらに指示値をＤ／Ａ変換することによってヒータ抵抗に流す電流を生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－９４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載された方式では、ヒータ抵抗に流す電流を高精度に制御するためにはＡ／ＤコンバータやＤ／Ａコンバータのビット数を増やす必要があり、回路規模が大きくなるという問題があった。また、指示値の演算においても誤差が生じるため、ヒータ抵抗に流す電流を高精度に制御することは必ずしも容易ではなかった。しかも、Ａ／Ｄ変換、演算、Ｄ／Ａ変換には所定の時間が必要であることから、環境温度の変化に対する応答速度を高めることも容易ではなかった。
【0006】
したがって、本発明は、ヒータ抵抗によってサーミスタなどの測温体を加熱するタイプのガスセンサにおいて、デジタル処理を行うことなく、ヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によるガスセンサは、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の測温体及び第１の測温体を加熱する第１のヒータ抵抗を含む第１のガスセンサ部と、環境温度に応じて抵抗値が変化する第２の測温体を含む温度センサ部と、第１のヒータ抵抗に第１の制御電圧を印加する第１の電圧印加部とを備え、第１の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第１の制御電圧を変化させる第１のバッファ回路を含むことを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、温度センサ部の出力電圧に基づき、第１のバッファ回路を用いて第１の制御電圧をリニアに変化させていることから、デジタル処理などを行うことなく、第１のヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることができる。これにより、環境温度に関わらず、第１の測温体を一定の温度に加熱することが可能となる。
【0009】
本発明において、第１の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第１の調整電圧を生成する第１の分圧回路と、第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧源とをさらに含み、第１のバッファ回路は、第１の基準電圧に対して第１の調整電圧を加算又は減算することによって第１の制御電圧を生成しても構わない。これによれば、環境温度に応じた第１の調整電圧の変化量を第１の分圧回路の分圧比によって調整することが可能となる。
【0010】
本発明によるガスセンサは、第１のバッファ回路と温度センサ部の間に接続された第１のスイッチ回路と、第１のバッファ回路と第１の基準電圧源の間に接続された第２のスイッチ回路とをさらに備えていても構わない。これによれば、第１のヒータ抵抗に対して第１の制御電圧を間欠的に印加できることから、消費電力を低減することが可能となる。
【0011】
本発明によるガスセンサは、第３の測温体及び第３の測温体を加熱する第２のヒータ抵抗を含む第２のガスセンサ部と、第２のヒータ抵抗に第２の制御電圧を印加する第２の電圧印加部とをさらに備え、第１の測温体と第３の測温体は直列に接続され、第２の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第２の制御電圧をリニアに変化させる第２のバッファ回路を含み、第１の制御電圧と第２の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより第１の測温体と第３の測温体が互いに異なる温度に加熱されるものであっっても構わない。これによれば、測定対象ガスの濃度に応じた検出信号を第１の測温体と第３の測温体の接続点から得ることが可能となる。
【0012】
本発明において、第２の電圧印加部は、温度センサ部の出力電圧に基づいて第２の調整電圧を生成する第２の分圧回路と、第２の基準電圧を生成する第２の基準電圧源とをさらに含み、第２のバッファ回路は、第２の基準電圧に対して第２の調整電圧を加算又は減算することによって第２の制御電圧を生成しても構わない。これによれば、環境温度に応じた第２の調整電圧の変化量を第２の分圧回路の分圧比によって調整することが可能となる。
【0013】
本発明において、第１の分圧回路と第２の分圧回路の分圧比が互いに異なっていても構わない。これによれば、環境温度に応じた第１及び第２の調整電圧の変化量をそれぞれ個別に設計することが可能となる。
【0014】
本発明によるガスセンサは、第２のバッファ回路と第２の基準電圧源の間に接続された第３のスイッチ回路をさらに備え、第１のスイッチ回路は、第１及び第２のバッファ回路と温度センサ部の間に接続されていても構わない。これによれば、第１及び第２のヒータ抵抗に対してそれぞれ第１及び第２の制御電圧を間欠的に印加できることから、消費電力を低減することが可能となる。
【0015】
本発明によるガスセンサは、第１のバッファ回路と第１のヒータ抵抗の間に接続され、第１の制御電圧を保持するサンプルホールド回路をさらに備えていても構わない。これによれば、第１のヒータ抵抗を用いた加熱中において第１の制御電圧を固定することが可能となる。
【0016】
本発明において、温度センサ部は、第２の測温体に対して直列に接続された第１の抵抗と、第２の測温体に対して並列に接続された第２の抵抗をさらに含み、出力電圧は、第２の測温体と第１の抵抗の接続点の電圧であっても構わない。これによれば、環境温度に応じた出力電圧の変化量を第１及び第２の抵抗の抵抗値によって調整することが可能となる。
【発明の効果】
【0017】
このように、本発明によるガスセンサによれば、デジタル処理を行うことなく、ヒータ抵抗に流す電流量を環境温度に応じて自動的に変化させることが可能となる。このため、回路規模を縮小しつつ、環境温度の変化に応じてヒータ抵抗に流す電流を高精度且つ高速に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【0020】
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成を示す回路図である。
【0021】
図１に示すように、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａは、センサ部Ｓと信号処理回路２０を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、雰囲気中におけるＣＯ２ガスの濃度を検出するものである。
【0022】
センサ部Ｓは、検出対象ガスであるＣＯ２ガスの濃度を検出するための熱伝導式のガスセンサであり、第１のガスセンサ部Ｓ１、第２のガスセンサ部Ｓ２及び温度センサ部Ｓ３を有している。第１のガスセンサ部Ｓ１は、第１の測温体であるサーミスタＲｄ１及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ１からなる。同様に、第２のガスセンサ部Ｓ２は、第３の測温体であるサーミスタＲｄ２及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ２からなる。一方、温度センサ部Ｓ３は、第２の測温体であるサーミスタＲｄ３からなる。
【0023】
図１に示すように、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されている。一方、サーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１は、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されるとともに、サーミスタＲｄ３に対して並列に抵抗Ｒ２が接続されている。サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。このうち、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２はいずれもＣＯ２ガスの濃度を検出するものであるが、後述するように動作温度が互いに異なっている。
【0024】
サーミスタＲｄ１は、ヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱される。ヒータ抵抗ＭＨ１によるサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば１５０℃である。サーミスタＲｄ１を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ２ガスが存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、サーミスタＲｄ１の抵抗値の変化となって現れる。サーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、サーミスタＲｄ１の抵抗値は、ＣＯ２ガスの濃度に応じて第１の感度で変化する。第１の感度は、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２の接続点に現れる検出電圧ＶＣＯ２を十分に変化させることが可能な感度を有している。また、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。
【0025】
サーミスタＲｄ２は、ヒータ抵抗ＭＨ２によって加熱される。ヒータ抵抗ＭＨ２によるサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３００℃である。サーミスタＲｄ２を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ２ガスが存在しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。これは、サーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、サーミスタＲｄ２の抵抗値は、ＣＯ２ガスの濃度に応じて第２の感度で変化するものの、第２の感度は第１の感度よりも大幅に低く、好ましくは第１の感度の１／１０以下、より好ましくはほぼゼロだからである。このため、ＣＯ２ガスの濃度が変化しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。一方、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ２の放熱特性が変化する。
【0026】
上述の通り、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２は直列に接続されており、その接続点から検出電圧ＶＣＯ２が出力される。一方、サーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１の接続点からは、温度センサ部Ｓ３の出力電圧Ｖａが出力される。尚、温度センサ部Ｓ３に抵抗Ｒ２を設けることは必須でないが、サーミスタＲｄ３に対して抵抗Ｒ２を並列に接続することにより、温度変化に対する出力電圧Ｖａの直線性を高めることが可能となる。検出電圧ＶＣＯ２及び出力電圧Ｖａは、信号処理回路２０に入力される。
【0027】
信号処理回路２０は、電圧印加部Ｖ１，Ｖ２、バッファ２５、差動アンプ２６、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２７、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２８、制御部２９及びスイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３を備えている。バッファ２５は、出力電圧Ｖａをバッファリングすることによって温度信号Ｖｔｅｍｐを生成する。また、差動アンプ２６は、検出電圧ＶＣＯ２とリファレンス電圧Ｖｒｅｆを比較し、その差を増幅する。バッファ２５から出力される温度信号Ｖｔｅｍｐ及び差動アンプ２６から出力されるガス検出信号Ｖａｍｐは、ＡＤコンバータ２７に入力される。
【0028】
ＡＤコンバータ２７は温度信号Ｖｔｅｍｐ及びガス検出信号Ｖａｍｐをデジタル変換し、その値を制御部２９に供給する。一方、ＤＡコンバータ２８は、制御部２９から供給されるリファレンス信号をアナログ変換することによってリファレンス電圧Ｖｒｅｆを生成する。制御部２９は、デジタル変換されたガス検出信号Ｖａｍｐに基づいて、現在のＣＯ２ガスの濃度を示す出力信号Ｖｏｕｔを生成する。また、制御部２９は、スイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３の制御も行う。
【0029】
電圧印加部Ｖ１は、ヒータ抵抗ＭＨ１に印加する制御電圧Ｖｍｈ１を生成するための回路であり、分圧回路２１、基準電圧源２３及びアナログバッファＡ１を含んでいる。同様に、電圧印加部Ｖ２は、ヒータ抵抗ＭＨ２に印加する制御電圧Ｖｍｈ２を生成するための回路であり、分圧回路２２、基準電圧源２４及びアナログバッファＡ２を含んでいる。
【0030】
電圧印加部Ｖ１に含まれる分圧回路２１は、スイッチ回路ＳＷ３がオン状態である場合に調整電圧Ｖｂを生成する。分圧回路２１は抵抗Ｒ３，Ｒ４が直列に接続された構成を有しており、抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点から調整電圧Ｖｂが得られる。調整電圧ＶｂはアナログバッファＡ１に供給される。また、基準電圧源２３は、基準電圧Ｖｄを生成する。基準電圧Ｖｄは、スイッチ回路ＳＷ１がオン状態である場合にアナログバッファＡ１に供給される。アナログバッファＡ１は、基準電圧Ｖｄから調整電圧Ｖｂを減算することによって制御電圧Ｖｍｈ１を生成する（Ｖｍｈ１＝Ｖｄ－Ｖｂ）。制御電圧Ｖｍｈ１はヒータ抵抗ＭＨ１に印加される。
【0031】
電圧印加部Ｖ２に含まれる分圧回路２２は、スイッチ回路ＳＷ３がオン状態である場合に調整電圧Ｖｃを生成する。分圧回路２２は抵抗Ｒ５，Ｒ６が直列に接続された構成を有しており、抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点から調整電圧Ｖｃが得られる。調整電圧ＶｃはアナログバッファＡ２に供給される。また、基準電圧源２４は、基準電圧Ｖｅを生成する。基準電圧Ｖｅは、スイッチ回路ＳＷ２がオン状態である場合にアナログバッファＡ２に供給される。アナログバッファＡ２は、基準電圧Ｖｅから調整電圧Ｖｃを減算することによって制御電圧Ｖｍｈ２を生成する（Ｖｍｈ２＝Ｖｅ－Ｖｃ）。制御電圧Ｖｍｈ２はヒータ抵抗ＭＨ２に印加される。
【0032】
図２は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。また、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。
【0033】
センサ部Ｓは、ＣＯ２ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図２及び図３に示すように、２つのガスセンサ部Ｓ１，Ｓ２と、ガスセンサ部Ｓ１とガスセンサ部Ｓ２の間に配置された温度センサ部Ｓ３と、これらセンサ部Ｓ１～Ｓ３を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。
【0034】
セラミックパッケージ５１は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド５２が設けられている。リッド５２は複数の通気口５３を有しており、これにより、雰囲気中のＣＯ２ガスがセラミックパッケージ５１内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図２においてはリッド５２が省略されている。
【0035】
特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板６１上に３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３が集積されている。基板６１には、３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３にそれぞれ対応する３つのキャビティ６１ａ～６１ｃが形成されている。
【0036】
基板６１は、絶縁膜６２，６３と、絶縁膜６３上に設けられたヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２と、ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２を覆うヒータ保護膜６４と、キャビティ６１ａ～６１ｃと重なる位置においてそれぞれヒータ保護膜６４上に設けられたサーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５と、サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５を覆うサーミスタ保護膜６６とを備える。
【0037】
基板６１は、適度な機械的強度を有し、且つ、エッチングなどの微細加工に適した材質であれば特に限定されるものではなく、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などを用いることができる。絶縁膜６２，６３は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２は、比較的高融点の材料からなる金属材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。ここで、測温体としてサーミスタを用いているのは、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。ヒータ保護膜６４の材料としては、絶縁膜６３と同じ材料を用いることができる。
【0038】
サーミスタ電極３５，４５，６５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極３５間にサーミスタＲｄ１が設けられ、一対のサーミスタ電極４５間にサーミスタＲｄ２が設けられ、一対のサーミスタ電極６５間にサーミスタＲｄ３が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５，４５，６５間における抵抗値は、それぞれサーミスタＲｄ１～Ｒｄ３の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５，４５，６５の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。
【0039】
図２に示すように、ヒータ抵抗ＭＨ１の両端は電極パッド３７ａ，３７ｂにそれぞれ接続され、ヒータ抵抗ＭＨ２の両端は電極パッド４７ａ，４７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極３５の両端は電極パッド３７ｃ，３７ｄにそれぞれ接続され、サーミスタ電極４５の両端は電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続され、サーミスタ電極６５の両端は電極パッド６７ａ，６７ｂにそれぞれ接続される。これらの電極パッドは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。パッケージ電極５４は、セラミックパッケージ５１の裏面に設けられた外部端子５６を介して、図１に示す信号処理回路２０に接続される。
【0040】
以上が本実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ１０Ａの動作について説明する。
【0041】
本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、ＣＯ２ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、ＣＯ２ガスの濃度によるサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性の変化をガス検出電圧ＶＣＯ２として取り出す。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、ＣＯ２ガスの濃度だけでなく、湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、湿度の影響が測定誤差となってしまう。そこで、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、ヒータ抵抗ＭＨ１を用いてサーミスタＲｄ１を例えば１５０℃に加熱し、ヒータ抵抗ＭＨ２を用いてサーミスタＲｄ２を例えば３００℃に加熱している。加熱温度が１５０℃である場合、ＣＯ２ガスの濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が大きく変化するのに対し、加熱温度が３００℃である場合、ＣＯ２ガスの濃度に応じたサーミスタＲｄ２の放熱特性はほとんど変化しない。一方、加熱温度が１５０℃である場合も３００℃である場合も、湿度によってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性が変化することから、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を直列に接続することによって、湿度の影響をキャンセルすることができる。ここで、湿度に対するサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の感度に差がある場合には、サーミスタＲｄ１又はサーミスタＲｄ２に対して並列に補正抵抗を接続することによって、感度差を低減することが可能である。
【0042】
さらに、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、環境温度が変化しても、ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２にそれぞれ印加する制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルが電圧印加部Ｖ１，Ｖ２によって自動調整される。
【0043】
【0044】
図４に示すように、環境温度が高くなると、サーミスタＲｄ３の抵抗値が低くなるため、温度センサ部Ｓ３の出力電圧Ｖａが上昇する。出力電圧Ｖａは、分圧回路２１によって所定の分圧比で分圧され、調整電圧Ｖｂが生成される。調整電圧Ｖｂも環境温度に応じて高くなるが、分圧回路２１によって分圧されているため、調整電圧Ｖｂのレベル及び環境温度に応じた変化は、出力電圧Ｖａよりも小さくなる。そして、アナログバッファＡ１によって基準電圧Ｖｄから調整電圧Ｖｂが減算され（Ｖｄ－Ｖｂ）、制御電圧Ｖｍｈ１が生成される。これにより、制御電圧Ｖｍｈ１のレベルは環境温度が高くなるほど低くなるため、環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ１を一定の温度（例えば１５０℃）で加熱することが可能となる。
【0045】
同様に、出力電圧Ｖａは分圧回路２２によって所定の分圧比で分圧され、調整電圧Ｖｃが生成される。図５に示すように、調整電圧Ｖｃも環境温度に応じて高くなるが、分圧回路２２によって分圧されているため、調整電圧Ｖｃのレベル及び環境温度に応じた変化は、出力電圧Ｖａよりも小さくなる。そして、アナログバッファＡ２によって基準電圧Ｖｅから調整電圧Ｖｃが減算され（Ｖｅ－Ｖｃ）、制御電圧Ｖｍｈ２が生成される。これにより、制御電圧Ｖｍｈ２のレベルは環境温度が高くなるほど低くなるため、環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ２を一定の温度（例えば３００℃）で加熱することが可能となる。
【0046】
図６は、環境温度と電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２，ＶＣＯ２の関係を示すグラフである。
【0047】
図６に示す制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の変化は図４及び図５と同じであり、環境温度が高くなるほど低くなる。これにより、環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２がそれぞれ所望の一定温度で加熱されることから、測定雰囲気中に含まれるＣＯ２ガスの濃度が一定であれば、環境温度に関わらずガス検出電圧ＶＣＯ２のレベルは一定となる。
【0048】
このように、本実施形態によれば、環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２をそれぞれ所望の一定温度で加熱することが可能となる。しかも、温度変化に応じた制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の調整をデジタル処理によって行うのではなく、分圧回路及びアナログバッファを用いてリニアに行っていることから、ＤＡコンバータやＡＤコンバータの分解能に起因する制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の誤差が生じないだけでなく、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の調整を極めて高速に行うことが可能となる。
【0049】
図７は、スイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３の制御タイミングの一例を示すタイミング図である。図７に示す例では、スイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３を同時且つ間欠的にオンさせることにより、調整電圧Ｖｂ，Ｖｃを間欠的に生成するとともに、基準電圧Ｖｄ，ＶｅをアナログバッファＡ１，Ａ２に間欠的に入力している。これにより、調整電圧Ｖｂ，Ｖｃ及び基準電圧Ｖｄ，Ｖｅが発生している期間にのみ制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２が生成されることから、消費電力を低減することが可能となる。
【0050】
図８は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構成を示す回路図である。
【0051】
図８に示すように、第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、サンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２が追加されている点において、図１に示した第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0052】
サンプルホールド回路ＳＨ１は、アナログバッファＡ１とヒータ抵抗ＭＨ１の間に接続されており、制御部２９による制御によって、制御電圧Ｖｍｈ１のサンプリング動作及びホールド動作を行う。同様に、サンプルホールド回路ＳＨ２は、アナログバッファＡ２とヒータ抵抗ＭＨ２の間に接続されており、制御部２９による制御によって、制御電圧Ｖｍｈ２のサンプリング動作及びホールド動作を行う。
【0053】
図９は、第２の実施形態におけるスイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３の制御タイミングの一例を示すタイミング図である。図９に示す例では、図７に示した例と比べてスイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３のオン時間が短縮されているとともに、スイッチ回路ＳＷ１～ＳＷ３がオンしている期間にサンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２によるサンプリング動作が行われている。そして、サンプリング動作を行った後、一定期間ホールド動作を行うことによって、サンプリングした制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を出力する。これによれば、ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２による加熱動作によって温度センサ部Ｓ３の出力電圧Ｖａが変化（上昇）しても、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２をそれぞれ一定に保つことが可能となる。また、ホールド期間中に環境温度が変化した場合であっても、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２がそれぞれ一定に保たれることから、安定した制御を行うことが可能となる。
【0054】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0055】
例えば、上記実施形態では、測定対象ガスがＣＯ２ガスである場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。
【0056】
また、上記実施形態では、アナログバッファによって基準電圧から調整電圧を減算しているが、基準電圧と調整電圧を加算しても構わない。例えば、温度センサ部Ｓ３に白金測温体など正の抵抗温度係数を持つ材料を用いたり、或いは、サーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１の位置を入れ替えたりする場合のように、環境温度が高くなるほど出力電圧Ｖａが低くなるよう設計した場合には、アナログバッファによって基準電圧と調整電圧を加算することにより、ヒータ抵抗を一定の温度で加熱することが可能となる。
【符号の説明】
【0057】
１０Ａ，１０Ｂ ガスセンサ
２０ 信号処理回路
２１，２２ 分圧回路
２３，２４ 基準電圧源
２５ バッファ
２６ 差動アンプ
２７ ＡＤコンバータ
２８ ＤＡコンバータ
２９ 制御部
３５，４５，６５ サーミスタ電極
３７ａ～３７ｄ，４７ａ～４７ｄ，６７ａ，６７ｂ 電極パッド
５１ セラミックパッケージ
５２ リッド
５３ 通気口
５４ パッケージ電極
５５ ボンディングワイヤ
５６ 外部端子
６１ 基板
６１ａ～６１ｃ キャビティ
６２，６３ 絶縁膜
６４ ヒータ保護膜
６５ サーミスタ電極
６６ サーミスタ保護膜
Ａ１，Ａ２ アナログバッファ（バッファ回路）
ＭＨ１，ＭＨ２ ヒータ抵抗
Ｒ１～Ｒ６ 抵抗
Ｒｄ１～Ｒｄ３ サーミスタ
Ｓ センサ部
Ｓ１ 第１のガスセンサ部
Ｓ２ 第２のガスセンサ部
Ｓ３ 温度センサ部
ＳＨ１，ＳＨ２ サンプルホールド回路
ＳＷ１～ＳＷ３ スイッチ回路
Ｖ１，Ｖ２ 電圧印加部
２０ 信号処理回路
２１，２２ 分圧回路
２３，２４ 基準電圧源
２５ バッファ
２６ 差動アンプ
２７ ＡＤコンバータ
２８ ＤＡコンバータ
２９ 制御部
３５，４５，６５ サーミスタ電極
３７ａ～３７ｄ，４７ａ～４７ｄ，６７ａ，６７ｂ 電極パッド
５１ セラミックパッケージ
５２ リッド
５３ 通気口
５４ パッケージ電極
５５ ボンディングワイヤ
５６ 外部端子
６１ 基板
６１ａ～６１ｃ キャビティ
６２，６３ 絶縁膜
６４ ヒータ保護膜
６５ サーミスタ電極
６６ サーミスタ保護膜
Ａ１，Ａ２ アナログバッファ（バッファ回路）
ＭＨ１，ＭＨ２ ヒータ抵抗
Ｒ１～Ｒ６ 抵抗
Ｒｄ１～Ｒｄ３ サーミスタ
Ｓ センサ部
Ｓ１ 第１のガスセンサ部
Ｓ２ 第２のガスセンサ部
Ｓ３ 温度センサ部
ＳＨ１，ＳＨ２ サンプルホールド回路
ＳＷ１～ＳＷ３ スイッチ回路
Ｖ１，Ｖ２ 電圧印加部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】